JP7469260B2

JP7469260B2 - 水素供給装置

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Publication number: JP7469260B2
Application number: JP2021098202A
Authority: JP
Inventors: 厚志齋木
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: JP2022189556A

Description

本発明は、水素タンクから減圧弁及び水素供給部を介して燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置に関する。

水素供給装置として、燃料電池内の水素ガスの圧力を目標圧力に保つために、燃料電池内の水素ガスの圧力が目標圧力より小さい所定圧力以下になると水素供給部を作動させることで燃料電池に水素ガスを供給し、燃料電池内の水素ガスの圧力が目標圧力以上になると水素供給部を停止させるものがある。なお、所定圧力は、水素供給部の耐久性低下と燃料電池の燃費悪化を抑制することが可能な周期で燃料電池に水素ガスが供給されるように予め決められているものとする。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、水素供給部の作動時間が長くなるほど、水素供給部と減圧弁との間の水素ガスの圧力が減少するため、減圧弁の開度が大きくなる。また、減圧弁の開度が大きくなるほど、減圧弁の寿命が低下する。

そのため、上記水素供給装置では、燃料電池内の水素ガスの圧力が所定圧力以下になってから目標圧力以上になるまでの間において、水素供給部の作動時間が比較的長くなり、減圧弁の開度が比較的大きくなるおそれがあるため、減圧弁の寿命低下が懸念される。

特開２０１９－３７９２号公報

本発明の一側面に係る目的は、水素タンクから減圧弁及び水素供給部を介して燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置において、燃料電池内の水素ガスの圧力を目標圧力に保ちつつ、減圧弁の寿命低下を抑制することである。

本発明に係る一つの形態である水素供給装置は、水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置であって、前記燃料電池の入力段に設けられる水素供給部と、前記水素供給部と前記水素タンクとの間に設けられる減圧弁と、前記水素供給部の動作を制御する制御部とを備える。

前記制御部は、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が目標圧力より小さい第１の所定圧力以下になると、前記水素供給部を作動させることにより前記燃料電池に水素ガスを供給し、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記目標圧力以上になると、前記水素供給部を停止させることにより前記燃料電池への水素供給を止め、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合、前記水素供給部の作動と停止を交互に繰り返す。

このように、燃料電池内の水素ガスの圧力が第１の所定圧力以下になると水素供給部を作動させ、燃料電池内の水素ガスの圧力が目標圧力以上になると水素供給部を停止させる構成であるため、燃料電池内の水素ガスの圧力を目標圧力に保つことができる。

また、燃料電池内の水素ガスの圧力が第１の所定圧力以下になってから目標圧力以上になるまでの間の一部の期間において水素供給部を停止させることができるため、水素供給部と減圧弁との間の水素ガスの圧力低下を抑えることができる。そのため、減圧弁の開度が大きくなることを抑制することができ、減圧弁の寿命低下を抑制することができる。

また、前記制御部は、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記水素供給部に供給される水素ガスの圧力が第２の所定圧力以下になると、または、前記水素供給部を作動させてから第１の所定時間が経過すると、または、前記燃料電池に供給される水素ガスの流量が第１の所定流量以下になると、前記水素供給部を停止させ、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記水素供給部に供給される水素ガスの圧力が前記第２の所定圧力より大きい第３の所定圧力以上になると、または、前記水素供給部を停止させてから第２の所定時間が経過すると、または、前記燃料電池に供給される水素ガスの流量が前記第１の所定流量より大きい第２の所定流量以上になると、前記水素供給部を作動させるように構成してもよい。

また、前記制御部は、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力以下になってから第３の所定時間が経過すると、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記目標圧力以上になるまで、前記水素供給装置を連続して作動させるように構成してもよい。

これにより、水素供給部、減圧弁、または制御部の不具合により、燃料電池内の水素ガスの圧力の単位時間あたりの増加幅が比較的小さくなってしまっても、燃料電池内の水素ガスの圧力が第１の所定圧力以下になってから目標圧力以上になるまでにかかる時間が比較的長くなることを抑制することができる。

本発明によれば、水素タンクから減圧弁及び水素供給部を介して燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置において、燃料電池内の水素ガスの圧力を目標圧力に保ちつつ、減圧弁の寿命低下を抑制することができる。

実施形態の水素供給装置を含む燃料電池システムの一例を示す図である。実施例１の制御部の動作を示すフローチャートである。実施例２の制御部の動作を示すフローチャートである。実施例３の制御部の動作を示すフローチャートである。既存の水素供給装置における、インジェクタの状態、圧力Ｐ１、圧力Ｐ２、及び減圧弁の開度の変化例を示す図である。実施形態の水素供給装置における、インジェクタの状態、圧力Ｐ１、圧力Ｐ２、及び減圧弁の開度の変化例を示す図である。変形例の制御部の動作を示すフローチャートである。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、実施形態の水素供給装置を含む燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏなどに電力を供給する。なお、負荷Ｌｏは、走行用モータを駆動するインバータなどとする。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨＴと、減圧弁ＰＶと、インジェクタＩＮＪ（電力供給部）と、エアコンプレッサＡＣＰと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、圧力センサＳｐ１と、圧力センサＳｐ２と、制御部２とを備える。なお、実施形態の水素供給装置は、インジェクタＩＮＪ、減圧弁ＰＶ、及び制御部２などにより構成されるものとする。

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、水素ガスに含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

水素タンクＨＴは、水素ガスの貯蔵容器である。

減圧弁ＰＶは、インジェクタＩＮＪと水素タンクＨＴとの間に設けられ、水素タンクＨＴから出力される水素ガスを減圧する。なお、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間の水素ガスの圧力が減少するほど、減圧弁ＰＶの開度が大きくなり、水素タンクＨＴからインジェクタＩＮＪに供給される水素ガスの流量が大きくなるものとする。また、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間の水素ガスの圧力が増加するほど、減圧弁ＰＶの開度が小さくなり、水素タンクＨＴからインジェクタＩＮＪに供給される水素ガスの流量が小さくなるものとする。すなわち、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間の水素ガスの圧力が所定圧力に保たれるように減圧弁ＰＶの開度が自律的に変化する。

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣの入力段に設けられ、制御部２により動作（作動または停止）が制御される。インジェクタＩＮＪが作動しているとき、減圧弁ＰＶにより減圧された水素ガスが燃料電池ＦＣに供給される。なお、インジェクタＩＮＪが作動することで燃料電池ＦＣに水素ガスが供給されているとき、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力が徐々に増加する。また、インジェクタＩＮＪが停止することで燃料電池ＦＣに水素ガスが供給されていないときで、かつ、発電により燃料電池ＦＣ内の水素ガスが消費されているとき、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力が減少する。

エアコンプレッサＡＣＰは、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池ＦＣに供給する。

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣから出力される電力をインジェクタＩＮＪやエアコンプレッサＡＣＰなどの補機及び蓄電装置Ｂに供給する。

蓄電装置Ｂは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、負荷Ｌｏや補機に電力を供給する。

圧力センサＳｐ１は、燃料電池ＦＣとインジェクタＩＮＪとの間に接続され、燃料電池ＦＣとインジェクタＩＮＪとの間の水素ガスの圧力Ｐ１、すなわち、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力Ｐ１を検出する。

圧力センサＳｐ２は、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間に接続され、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間の水素ガスの圧力Ｐ２、すなわち、インジェクタＩＮＪに供給される水素ガスの圧力Ｐ２を検出する。

制御部２は、マイクロコンピュータなどにより構成される。

また、制御部２は、燃料電池ＦＣの発電制御時、蓄電装置Ｂの充電量に応じて、目標電力を変化させる。なお、充電量とは、蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合［％］（充電率）、または、蓄電装置Ｂに電流が流れていないときの蓄電装置Ｂの電圧［Ｖ］とする。

また、制御部２は、燃料電池ＦＣの発電制御時、燃料電池ＦＣの出力電力が目標電力になるように、インジェクタＩＮＪやエアコンプレッサＡＣＰなどの補機を駆動させる。例えば、制御部２は、燃料電池ＦＣの発電制御時、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力が燃料電池ＦＣの目標電力に対応する目標圧力になるように、インジェクタＩＮＪの動作を制御する。

＜実施例１＞
図４は、インジェクタＩＮＪの動作制御時の制御部２の動作の一例を示すフローチャートである。なお、制御部２は、フローチャートの実行開始時、インジェクタＩＮＪを停止させているものとする。

まず、制御部２は、圧力センサＳｐ１により検出される圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１（第１の所定圧力）より大きい場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを停止させることを継続し、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを作動させる（ステップＳ１２）。なお、所定圧力Ｐｔｈ１は、目標圧力Ｐｔより小さい値とする。

次に、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になった後において、圧力センサＳｐ２により検出される圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２（第２の所定圧力）より大きい場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを作動させることを継続し、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２以下になると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを停止させる（ステップＳ１４）。なお、所定圧力Ｐｔｈ２は、インジェクタＩＮＪが作動しているときの減圧弁ＰＶの開度が１００［％］であるときの圧力Ｐ２の最小値より大きく、かつ、インジェクタＩＮＪが作動しているときの減圧弁ＰＶの開度が０［％］であるときの圧力Ｐ２より小さい値とする。

次に、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になり、さらに、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２以下になった後において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３より小さい場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを停止させることを継続し、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３以上になると（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを作動させる（ステップＳ１６）。なお、所定圧力Ｐｔｈ３は、所定圧力Ｐｔｈ２より大きく、かつ、インジェクタＩＮＪが作動しているときの減圧弁ＰＶの開度が０［％］であるときの圧力Ｐ２より小さい値とする。

次に、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になり、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２以下になり、さらに、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３以上になった後において、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔより小さい場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、再度、ステップＳ１３～Ｓ１６の処理を実行することで圧力Ｐ１を徐々に増加させ、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になると（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを停止させて（ステップＳ１８）、ステップＳ１１に戻る。

すなわち、制御部２は、所定圧力Ｐｔｈ１、Ｐｔｈ２を用いてインジェクタＩＮＪの動作を制御することにより、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２と所定圧力Ｐｔｈ３との間で変動するように、インジェクタＩＮＪの作動と停止を交互に繰り返す。

なお、所定圧力Ｐｔｈ２を大きくするほど、圧力Ｐ２の減少幅を小さくすることができるため、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量を小さくすることができるが、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間の経過時間及びインジェクタＩＮＪの作動回数が増加する。そのため、所定圧力Ｐｔｈ２は、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量と、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間の経過時間及びインジェクタＩＮＪの作動回数とを考慮して決められてもよい。

＜実施例２＞
図３は、インジェクタＩＮＪの動作制御時の制御部２の動作の他の例を示すフローチャートである。なお、図３に示すステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６～Ｓ１８は、図２に示すステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６～Ｓ１８と同様であるため、その説明を省略する。

制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になった後において、インジェクタＩＮＪを作動させてから所定時間Ｔ１（第１の所定時間）が経過していない場合（ステップＳ１３´：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを作動させることを継続し、インジェクタＩＮＪを作動させてから所定時間Ｔ１が経過すると（ステップＳ１３´：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを停止させる（ステップＳ１４）。なお、所定時間Ｔ１は、インジェクタＩＮＪが作動している場合において、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２以下になるまでにかかる時間、または、インジェクタＩＮＪが作動している場合において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３以上になってから圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２以下になるまでにかかる時間とする。

また、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になった後において、インジェクタＩＮＪを停止させてから所定時間Ｔ２（第２の所定時間）が経過していない場合（ステップＳ１５´：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを停止させることを継続し、インジェクタＩＮＪを停止させてから所定時間Ｔ２が経過すると（ステップＳ１５´：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを作動させる（ステップＳ１６）。なお、所定時間Ｔ２は、インジェクタＩＮＪが停止している場合において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２から所定圧力Ｐｔｈ３に変化するまでにかかる時間とする。

すなわち、制御部２は、所定時間Ｔ１、Ｔ２を用いてインジェクタＩＮＪの動作を制御することにより、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２と所定圧力Ｐｔｈ３との間で変動するように、インジェクタＩＮＪの作動と停止を交互に繰り返す。

＜実施例３＞
図４は、インジェクタＩＮＪの動作制御時の制御部２の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。なお、図４に示すステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６～Ｓ１８は、図２に示すステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６～Ｓ１８と同様であるため、その説明を省略する。また、減圧弁ＰＶから燃料電池ＦＣに供給される水素ガスの流量Ｆ（単位時間あたりの水素ガスの量［ｍ^３／ｓ］）を検出する流量センサが、燃料電池ＦＣとインジェクタＩＮＪとの間、または、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間に設けられているものとする。

制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になった後において、流量Ｆが所定流量Ｆｔｈ１（第１の所定流量）より小さい場合（ステップＳ１３´´：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを作動させることを継続し、流量Ｆが所定流量Ｆｔｈ１以上になると（ステップＳ１３´´：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを停止させる（ステップＳ１４）。なお、所定流量Ｆｔｈ１は、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３になるときに減圧弁ＰＶから燃料電池ＦＣに供給される水素ガスの流量とする。

また、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になった後において、流量Ｆが所定流量Ｆｔｈ２（第２の所定流量）より大きい場合（ステップＳ１５´´：Ｎｏ）、インジェクタＩＮＪを停止させることを継続し、流量Ｆが所定流量Ｆｔｈ２以下になると（ステップＳ１５´´：Ｙｅｓ）、インジェクタＩＮＪを作動させる（ステップＳ１６）。なお、所定流量Ｆｔｈ２は、所定流量Ｆｔｈ１より小さい値であり、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２になるときに減圧弁ＰＶから燃料電池ＦＣに供給される水素ガスの流量とする。

すなわち、制御部２は、所定流量Ｆｔｈ１、Ｆｔｈ２を用いてインジェクタＩＮＪの動作を制御することにより、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２と所定圧力Ｐｔｈ３との間で変動するように、インジェクタＩＮＪの作動と停止を交互に繰り返す。

なお、図２に示すステップＳ１３及びステップＳ１５、図３に示すステップＳ１３´及びステップＳ１５´、並びに図４に示すステップＳ１３´´及びステップＳ１５´´の各ステップを互いに入れ替えてもよい。例えば、図２に示すステップＳ１３のみを、図３に示すステップＳ１３´または図４に示すステップＳ１３´´と入れ替えてもよい。また、図２に示すステップＳ１５のみを、図３に示すステップＳ１５´または図４に示すステップＳ１５´´と入れ替えてもよい。また、図３に示すステップＳ１５´のみを、図４に示すステップＳ１５´´と入れ替えてもよい。また、図４に示すステップＳ１５´´のみを、図３に示すステップＳ１５´と入れ替えてもよい。

ここで、図５は、既存の水素供給装置における、インジェクタＩＮＪの状態、圧力Ｐ１、圧力Ｐ２、及び減圧弁ＰＶの開度の変化例を示す図である。なお、図５（ａ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸はインジェクタＩＮＪの状態（作動または停止）を示している。また、図５（ａ）に示す実線は、時間経過に伴うインジェクタＩＮＪの状態の変化を示している。また、図５（ｂ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示している。また、図５（ｂ）に示す実線は、時間経過に伴う圧力Ｐ１の変化を示している。また、図５（ｃ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示している。また、図５（ｃ）に示す実線は、時間経過に伴う圧力Ｐ２の変化を示している。また、図５（ｄ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は減圧弁ＰＶの開度（０［％］～１００［％］）を示している。また、図５（ｄ）に示す実線は、時間経過に伴う減圧弁ＰＶの開度の変化を示している。

まず、既存の水素供給装置は、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１１において、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になると、図５（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを作動させる。すると、図５（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが作動している間（時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間）、図５（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔまで増加するとともに、図５（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が圧力Ｐｍｉｎまで減少するとともに、図５（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が１００［％］まで増加する。

次に、既存の水素供給装置は、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１２において、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になると、図５（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを停止させる。すると、図５（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが停止している間（時刻ｔ１２以降）、図５（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１まで減少するとともに、図５（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が圧力Ｐｍａｘまで増加するともに、図５（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が０［％］まで減少する。

また、図６は、実施形態の水素供給装置における、インジェクタＩＮＪの状態、圧力Ｐ１、圧力Ｐ２、及び減圧弁ＰＶの開度の変化例を示す図である。なお、図６（ａ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸はインジェクタＩＮＪの状態（作動または停止）を示している。また、図６（ａ）に示す実線は、時間経過に伴うインジェクタＩＮＪの状態の変化を示している。また、図６（ｂ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示している。また、図６（ｂ）に示す実線は、時間経過に伴う圧力Ｐ１の変化を示している。また、図６（ｃ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示している。また、図６（ｃ）に示す実線は、時間経過に伴う圧力Ｐ２の変化を示している。また、図６（ｄ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は減圧弁ＰＶの開度（０［％］～１００［％］）を示している。また、図６（ｄ）に示す実線は、時間経過に伴う減圧弁ＰＶの開度の変化を示している。

まず、実施形態の水素供給装置（制御部２）は、図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを作動させる。すると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが作動している間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間）、図６（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が増加するとともに、図６（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２まで減少するとともに、図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が開度Ｖｏ２まで増加する。なお、開度Ｖｏ２は、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２であるときの減圧弁ＰＶの開度であり、０［％］より大きく、かつ、１００［％］より小さいものとする。

次に、実施形態の水素供給装置（制御部２）は、図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ２において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２になると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを停止させる。すると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが停止している間（時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間）、図６（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が減少するとともに、図６（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３まで増加するとともに、図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が開度Ｖｏ３まで減少する。なお、開度Ｖｏ３は、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３であるときの減圧弁ＰＶの開度であり、０［％］より大きく、かつ、開度Ｖｏ２より小さいものとする。すなわち、０［％］＜開度Ｖｏ３＜開度Ｖｏ２＜１００［％］とする。

次に、実施形態の水素供給装置（制御部２）は、図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ３において、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ３になると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを作動させる。すると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが作動している間（時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間）、図６（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が増加するとともに、図６（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２まで減少するとともに、図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が開度Ｖｏ２まで増加する。

以降、実施形態の水素供給装置（制御部２）は、時刻ｔ４～ｔ９において、時刻ｔ２、ｔ３のときと同様に、インジェクタＩＮＪの作動と停止を繰り返す。そのため、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２になった後に所定圧力Ｐｔｈ３になることが繰り返される。なお、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、インジェクタＩＮＪが作動しているときの圧力Ｐ１の増加幅は、インジェクタＩＮＪが停止しているときの圧力Ｐ１の減少幅より大きいものとする。そのため、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、インジェクタＩＮＪの作動と停止が交互に繰り返されると、圧力Ｐ１が徐々に増加する。

そして、実施形態の水素供給装置（制御部２）は、図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ１０において、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪを停止させる。すると、図６（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが停止している間（時刻ｔ１０以降）、図６（ｂ）に示すように、圧力Ｐ１が減少するとともに、図６（ｃ）に示すように、圧力Ｐ２が圧力Ｐｍａｘまで増加するとともに、図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が０［％］まで減少する。

このように、既存の水素供給装置では、図５（ｂ）及び図５（ｄ）に示すように、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、減圧弁ＰＶの開度が０［％］から１００［％］に変化し、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量が最大となるため、減圧弁ＰＶの寿命低下が懸念される。

一方、実施形態の水素供給装置では、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、圧力Ｐ２を所定圧力Ｐｔｈ２と所定圧力Ｐｔｈ３との間で変動させている。また、所定圧力Ｐｔｈ２及び所定圧力Ｐｔｈ３は、それぞれ、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が１００［％］より小さい開度Ｖｏ２及び開度Ｖｏ３になるときの圧力Ｐ２である。そのため、図６（ｄ）に示すように、減圧弁ＰＶの開度が０［％］から１００［％］まで変化しないため、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量が最大にならず、減圧弁ＰＶの寿命低下を抑制することができる。すなわち、実施形態の水素供給装置では、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間の一部の期間において、インジェクタＩＮＪを停止させることができる。そのため、インジェクタＩＮＪと減圧弁ＰＶとの間の水素ガスの圧力Ｐ２の低下を抑えることができるため、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量が大きくなることを抑制することができ、減圧弁ＰＶの寿命低下を抑制することができる。

また、実施形態の水素供給装置では、燃料電池ＦＣ内の水素ガスの圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になるとインジェクタＩＮＪを作動させ、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になるとインジェクタＩＮＪを停止させる構成であるため、圧力Ｐ１を目標圧力Ｐｔに保つことができる。

また、既存の水素供給装置では、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量が比較的大きくなるため、図５（ａ）に示すように、インジェクタＩＮＪが作動状態から停止状態に移行するとき、減圧弁ＰＶの応答遅れにより、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示す破線枠のように、圧力Ｐ２にサージ圧が生じて減圧弁ＰＶの開度の変化に乱れが生じてしまう。

一方、実施形態の水素供給装置では、０［％］を基準とする減圧弁ＰＶの開度の変位量を抑えることができるため、減圧弁ＰＶの応答遅れにより圧力Ｐ２に生じるサージ圧を抑えて減圧弁ＰＶの開度の変化の乱れを抑えることができる。

なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

＜変形例＞
図７は、インジェクタＩＮＪの動作制御時の制御部２の動作の他の例を示すフローチャートである。なお、図７に示すステップＳ１１～Ｓ１８は、図２に示すステップＳ１１～Ｓ１８と同様であるため、その説明を省略する。

制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから所定時間Ｔ３が経過していない場合（ステップＳ１９：Ｎｏ）、ステップＳ１３～Ｓ１７を実行した後、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になったか否かを判断する（ステップＳ１７）。

一方、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから所定時間Ｔ３が経過すると（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になったか否かを判断する（ステップＳ１７）。

なお、所定時間Ｔ３は、所定時間Ｔ１及び所定時間Ｔ２より長い任意の時間とする。

すなわち、制御部２は、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでの間において、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから所定時間Ｔ３が経過することでタイムアウトすると、圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｔｈ２と所定圧力Ｐｔｈ３との間で変動するようにインジェクタＩＮＪを動作させることを実行せず、圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｔ以上になるまでインジェクタＩＮＪを連続して作動させる。

これにより、インジェクタＩＮＪ、減圧弁ＰＶ、または制御部２の不具合により、圧力Ｐ１の単位時間あたりの増加幅が比較的小さくなってしまっても、圧力Ｐ１が所定圧力Ｐｔｈ１以下になってから目標圧力Ｐｔ以上になるまでにかかる時間が比較的長くなることを抑制することができる。

１燃料電池システム
２制御部
ＡＣＰエアコンプレッサ
Ｂ蓄電装置
ＣＮＶＤＣＤＣコンバータ
ＦＣ燃料電池
ＨＴ水素タンク
ＩＮＪインジェクタ
Ｌｏ負荷
Ｓｐ１、Ｓｐ２圧力センサ

Claims

水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置であって、
前記燃料電池の入力段に設けられる水素供給部と、
前記水素供給部と前記水素タンクとの間に設けられる減圧弁と、
前記水素供給部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池内の水素ガスの圧力が目標圧力より小さい第１の所定圧力以下になると、前記水素供給部を作動させることにより前記燃料電池に水素ガスを供給し、
前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記目標圧力以上になると、前記水素供給部を停止させることにより前記燃料電池への水素供給を止め、
前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合、前記水素供給部の作動と停止を交互に繰り返す
ことを特徴とする水素供給装置。
請求項１に記載の水素供給装置であって、
前記制御部は、
前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記水素供給部に供給される水素ガスの圧力が第２の所定圧力以下になると、または、前記水素供給部を作動させてから第１の所定時間が経過すると、または、前記燃料電池に供給される水素ガスの流量が第１の所定流量以下になると、前記水素供給部を停止させ、
前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記水素供給部に供給される水素ガスの圧力が前記第２の所定圧力より大きい第３の所定圧力以上になると、または、前記水素供給部を停止させてから第２の所定時間が経過すると、または、前記燃料電池に供給される水素ガスの流量が前記第１の所定流量より大きい第２の所定流量以上になると、前記水素供給部を作動させる
ことを特徴とする水素供給装置。
請求項１に記載の水素供給装置であって、
前記制御部は、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力より大きく、かつ、前記目標圧力より小さい場合において、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記第１の所定圧力以下になってから第３の所定時間が経過すると、前記燃料電池内の水素ガスの圧力が前記目標圧力以上になるまで、前記水素供給装置を連続して作動させる
ことを特徴とする水素供給装置。